SE505884C2 - Optisk fiberkabel samt sätt att överföra laserljus med höga effekter - Google Patents

Description

35 505 884 2 àterreflekteras från arbetsstycket och gå direkt in till claddingen eller falla helt utanför fibern, i båda fallen med följd att den slutligen absorberas i höljet under värmeutveckling.

US patent 4678273 (motsvarar SE patent 443454) föreslår en optisk fiber som omges av ett strålningståligt transmitterande material vilket leder bort strålning från claddingen.

US patent 3843865 föreslår en kärna utan optisk fiber med en cladding, vilken kärna uppvisar ökande diameter mot dess ändytor. Problemet med strålning som inte kopplas in i kärnan berörs inte. Det framgår också att fibern inte är lämplig för högre effekter än 200 W, vilket inte räcker till för moderna materialbearbetningsmetoder med laser.

Föreliggande uppfinning har till syfte att åstadkomma en optisk fiberkabel som kan användas vid överföring av företrädesvis upp till 3 kw eller mer, utan att skador uppstår laserljus med höga effekter, på själva fibern eller dess hölje.

Uppfinningen avser en optisk fiberkabel innefattande fiber med en kärna och en omgivande cladding. Åtminstone en försedd med en stav vars dia- av kärnans kontaktändar är meter är större än kärnans, företrädesvis större än clad- Vidare är fibern vid denna ände försedd med en reflektor utformad till att leda strålar fibern till ett område där absorberas utan att åsamka att strålar mot reflektorn. Nämnda område kan innefatta medel för att kyla bort den vid medel för luftkylning eller vattenkylning. Fibern kan vara dingens ytterdiameter. inkommande utanför de kan någon skada, varvid staven är utformad så som inte kopplas in i fibern leds absorptionen utvecklade värmen, såsom av stegindex- såväl som gradientindex-typ.

Genom att staven vid kärnans kontaktända har större diameter än kärnan, blir effekttätheten mindre, vilket ökar eller andra defekter på till att hålls i en korrekt position i fiberkontakten, toleransen mot partiklar, repor ändytan. En annan fördel är att staven medverkar kärnans ände andra fixeringsanordningar. Det vilket minskar behovet av 10 15 20 25 30 35 505 884 3 är även möjligt att antireflex-behandla staven med en lämplig beläggning på kortsidan, vilket inte på ett enkelt sätt kan göras med fiberns tunna kärna. Staven är lämpligen av ett material med kärnan, och bör exempelvis genom de är väsentligen brytningsindex som i god optisk kontakt med denna, sammansmälta. Lämpligen är staven och kärnan av samma material, företrädesvis glas, i synner- het kvartsglas. I princip är det möjligt att är tillverkade ur samma stycke, men i prak- tiken är det enklare erhålla önskad form på appliceras i kärna. Företrädesvis är Samma Vara staven och fiberns kärna staven om den efterhand genom sammansmältning med fiberns staven väsentligen cylinderformad så att kortsidan som är fäst i fiberns kärna utgör ett plan väsentligen vinkerätt mot dennas vilket medför att större delen av de ljusstrålar som inte kopplas in i fibern leds mot reflektorn för reflexion mot området där de kan absorberas under kontrollerade former, exempel- vis genom att detta område innefattar medel för kylning. Även andra utformningar av staven kan komma ifråga under utsträckning, förutsättning att den medger kontroll av vart strålar utanför fibern tar vägen.

Enligt en föredragen utföringsform är reflektorn delvis absorberande samtidigt som en temperatursensor företrädesvis är anordnad i dess närhet. Därigenom är det möjligt att mycket snabbt erhålla en varningssignal om strålningseffekten utanför själva fibern skulle bli alltför hög. Lämpligen reflekteras från ca 80% upp till ca 99%, företrädesvis från ca 85 till ca 99% av den inkommande strålningen, medan resterande del absorberas.

Som alternativ eller som komplettering till en temperatursensor, kan fiberkablen vara försedd med en optisk detektor anordnad att mäta strålningen som kommer utanför claddingen. Den optiska detektorn kan exempelvis vara anordnad att mäta strålning inkommande mot reflektorn eller strålning som àterreflekteras från området dit strålningen från reflektorn leds.

Företrädesvis är fibern också försedd med ett strål- ningståligt transmitterande material med ett brytningsindex lO 15 20 25 30 35 505 884 4 större än eller väsentligen lika med att det kontakt med claddingen i en del torn och claddingens, vilket omger och är i optisk av området mellan reflek- kontaktända. Detta får som effekt att eventuell strålning i claddingen kopplas ut till det transmitterande strålningståliga ifrån leds till området där absorberas under kontrollerade former, eventuellt via reflektorn. material är anordnat så vid kärnans staven materialet och där- den kan Det föredras på optiska att såväl ingångsänden som utgångsänden fiberkabeln är ovan. Uppfinningen utformad enligt beskrivningen avser även ett sätt att överföra ljus, speciellt laserljus, 500 W, ca 1000 W, genom företrädesvis med en effekt över- stigande ca i synnerhet med en effekt överstigande att använda en optisk fiberkabel enligt uppfinningen. _ En optisk fiberkabel enligt uppfinningen har, jämfört fiberkablar, tålighet mot direkt in i kärnan, såväl mot strålning som kommit ut i claddingen som mot strålning som faller helt utanför fibern. Detta är speciellt fördelaktigt vid fiberkabelns återreflektion från arbetsstycket kan ge upphov till okontrollerad ljussprid- risk för möjligheterna har förbättrats genom att en temperatursensor med förut kända optiska högre strålning som inte kopplas utgångsände, där ning och därmed stor skador. övervaknings- kan placeras där temperaturen först ökar vid höga effekter. tvärsnittsytan och möjligheten till antireflex- behandlingen vid fibernas in- och utgångsändar innebär även att effekttåligheten är mindre än för konventionella fibrer. det följande ritningsfigur som Den stora högre och reflektionsförlusterna Uppfinningen ska i åskådliggöras i schematiskt en av dess anslutning till bifogade visar ett sidosnitt av en optisk fiberkabel vid kontaktändar.

Figuren visar en fiberkontakt 8, exempelvis av aluminium, i vilken ena änden av en optisk fiber är anord- nad. Den optiska fibern utgörs av en kärna 4, exempelvis av ett material mindre än kärnans 4. Claddingen 9 kan exem- kvartsglas, och en cladding 9 av vars bryt- ningsindex är 10 l5 20 25 30 35 505- 884 5 pelvis vara av glas eller någon polymer med lämpligt brytningsindex. På kärnans 4 ändyta 3 är en cylindrisk stav 1 med större diameter än claddingens 9 ytterdiameter fastsmält, vilken stav 1 företrädesvis är av samma material som kärnan 4. Stavens 1 diameter kan, såsom visas i figu- något mindre än fiberkontaktens 8 innerdiameter, eller vara väsentligen lika med denna. Stavens 1 ändyta 2 är företrädesvis antireflexbehandlad för de våglängder som fiberkabeln är avsedd att användas vid, exempelvis 1064 nm.

På lämpligt avstånd från staven 1, exempelvis fràn ca 5 till ca 50 mm, är en företrädesvis delvis absorberande reflektor 7 anordnad att fibern ut mot ett avledande anordning ren, vara styra strålar som kommer utanför område 6 som är omgivet av en värme- 10 innefattande kylflänsar 11, vilken anordning 10 exempelvis kan vara av aluminium. Som komplet- tering eller alternativ till kylflänsarna ll innefatta visad). Reflektorn om ökad absorptionsförmàga stål. En temperatursensor 13 reflektorn 7 sensor 13 kan vara kan anord- ningen 10 en kylmantel för Vattenkylning (ej 7 kan exempelvis vara gjord av koppar av rostfritt är monterad på den del av som inte utgör själva reflektionsytan, vilken ansluten till en anordning (ej visad) en förutbestämd temperatur utlöser larm eller helt enkelt stänger av strálningskällan (ej visad).

I en del av området mellan staven 1 eller, önskas, som vid och reflektorn 7 är claddingen 9 omgiven av ett material, exempelvis i form av en glaskapillär 5, som är i optisk kontakt med clad- dingen 9 och har ett brytningsindex som överstiger eller är lika med claddingens 9. Utanför fiberkontakten 8 är clad- dingen 9 ett skyddande hölje 12 som kan inne- fatta ett flera olika materialskikt, innefattande en eller flera av silikon, nylon eller andra I själva fiberkontakten 8 finns inget behov av något skyddande hölje 12 eftersom fibern där inte böjs eller utsätts för andra mekaniska påfrestningar. kärnan 4 en diameter från ca 100 claddingen 9 en tjocklek fràn ca 20 till till ca 15 mm, försedd med eller exempelvis lämpliga polymermaterial.

Företrädesvis har till ca 1400 um, ca S00 um, staven 1 en diameter från ca 2 lO 15 20 25 30 35 505 884 6 och kapillären 5 en yttre diameter från ca 4 till ca 15 mm.

Längden på staven 1 kan exempelvis vara från ca 3 till ca 30 mm, och längden på kapillären 5 kan exempelvis vara från ca 5 till ca 100 mm. Avståndet mellan staven 1 och kapillären 5 kan exempelvis 0 till ca 100 mm, reflektorna exem- vara från medan avståndet mellan kapillären 5 och pelvis kan vara från ca 1 till ca 100 mm.

Anordningen enligt figuren fungerar på följande sätt: En stråle A som inkommer mot fiberns kärnan 4 med en vinkel som inte överstiger den numeriska aperturen kopplas direkt in till denna 4 och transmitteras i fibern genom total- reflexion mellan kärna 4 och cladding 9 på samma sätt som i konventionella optiska fibrer. En stråle B som inkommer mot fiberänden men missar kärnan 4 kopplas in i claddingen 9.

När stràlen B når kapillären 5, som är i optisk kontakt med claddingen 9, kommer strålen B att kopplas ut från clad- dingen 9 till kapillären 5 och därifrån via reflektorn 7 ledas till området 6 vid fiberkontaktens 8 insida där den absorberas. Värmen som utvecklas kyls bort med hjälp av den värmeavledande anordningen 10 med kylflänsar 11. En stråle C som helt missar fibern transmitteras rakt in mot reflek- torn 7 som leder den vidare på samma sätt som stråle B. Av den strålning som träffar reflektorn 7 vilket ger upphov till en temperaturhöjning som registreras absorberas en del, med sensorn 13. Eftersom temperaturen i reflektorn ökar snabbt om effekten blir för hög, kan larm utlösas i god tid innan några allvarliga skador uppstått. 1 I en konventionell optisk fiberkabel hade strålarna B och C så under okontrollerad småningom nått fiberhöljet och absorberats där värmeutveckling. För sätt krävs det utformad så att strålar som inte kopplas in i fibern leds till reflektorn 7 och inte bryts på ett okontrollerat sätt när de lämnar staven 1, vilket exempelvis tillgodoses om att anordningen ska fungera på önskat att staven 1 är staven 1, såsom visas i figuren, väsentligen har formen av en cylinder vars mantelyta är väsentligen parallell med kärnans 4 och claddingens 9 utsträckning i kontakten 8.

Claims (10)

10 15 20 25 30 35 505* .884 'J PATENTKRAV

1. Optisk fiberkabel innefattande en fiber med en kärna (4) och en omgivande cladding (9) k ä n n e t e c k n a d därav att åtminstone en av kärnans (4) kontaktändar är försedd med en stav (1) vars diameter är större än kär- nans, och vars ena ändyta är i optisk kontakt med kärnans ändyta (3), och att fibern vid nämnda kontaktände är för- sedd med en reflektor (7) utformad till att leda strålar inkommande utanför fibern mot ett område (6) där de kan absorberas utan att åsamka någon skada, varvid staven (1) är utformad så att strålar som inte kopplas in i fibern leds mot reflektorn (7).

2. Optisk fiberkabel enligt krav 1 k ä n n e t e c k n a d därav att reflektorn (7) är delvis absorberande.

3. Optisk fiberkabel enligt krav l eller 2 k ä n n e - t e c k n a d därav att en temperatursensor (13) eller en optisk sensor är anordnad i reflektorns (7) närhet.

4. Optisk fiberkabel enligt något av kraven 1 - 3 k ä n - n e t e c k n a d därav att den är försedd med ett strål- ningståligt transmitterande material (5) med ett bryt- ningsindex större än eller väsentligen lika med cladding- ens (9), vilket material (5) är anordnat så att det omger och är i optisk kontakt med claddingen (9) i en del av om- rådet mellan reflektorn (7) och staven (1) vid kärnans (4) kortända.

5. Optisk fiberkabel enligt något av kraven 1 - 4 k ä n - n e t e c k n a d därav att staven (1) vid kärnans (4) kontaktända är av ett material med väsentligen samma bryt- ningsindex som kärnan (4).

6. Optisk fiberkabel enligt något av kraven 1 - 5 k ä n - n e t e c k n a d därav att staven (1) vid kärnans (4) 10 15 20 25 30 35 5Û5 884 i 8 kontaktända är sammansmält med kärnan (4).

7. Optisk fiberkabel enligt något av kraven l - 6 k ä n - n e t e c k n a d därav att kärnan (4) och staven (1) vid dess kontaktända är av kvartsglas.

8. Optisk fiberkabel enligt något av kraven 1 - 7 k ä n - n e t e c k n a d därav att staven (1) vid kärnans (4) kontaktända är väsentligen cylinderformad.

9. Optisk fiberkabel enligt något av kraven 1 - 8 k ä n - n e t e c k n a d därav att området (6) för absorption av strålning innefattar medel (10, ll) för kylning.

10. Sätt att överföra laserljus med höga effekter, före- trädesvis upp till 3 kW eller mer, k ä n n e t e c k n a t därav att en optisk fiberkabel enligt något av kraven 1 - 9 används.